（材料加工工程专业论文）钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝的研制性能的研究.pdf

、 ，j 。 ! ! ； _ ，z j - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：越主导师签名：趣日期：2 型芝：乏! 一 摘要 摘要 随着石油钻井技术的发展，钻井工作时间越来越长，钻杆的工作强度也相 应增加。由于钻杆的工作工况恶劣复杂，在这种工况条件下钻杆极易被磨损破 坏，特别是井内使用套管后，不仅要求钻杆耐磨带能够抵抗岩石的磨粒磨损， 还要求耐磨带在与套管接触时能大大降低对套管的磨损，防止套管被磨穿。套 管与钻杆的磨损问题越来越突出。研制降低套管磨耐的磨带堆焊材料逐渐成为 耐磨带的开发方向。 本文根据石油钻井钻杆磨损机理分别研制了两种适于存在加护套管和裸井 钻探的钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝。对钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝进行了系统的开 发研究，通过一系列配方调整和工艺性能实验，研制出了可用于加护套管和裸 眼井钻探的自保护堆焊药芯焊丝h 1 和h 2 。上述两种药芯焊丝焊接工艺性能良 好，满足钻杆接头耐磨带制造的施焊条件和性能要求。对于h 1 ，为了减少套管 的磨损，要求堆焊层中熔敷金属组织为无碳化物的低碳板条状马氏体和少量残 余奥氏体，平均堆焊层硬度可达到h r c 6 0 ，堆焊层在m l s 一2 2 5 型湿式橡胶轮 磨粒磨损机上表现出良好的耐磨粒磨损性能；对于h 2 ，试验根据目前用于裸井 钻探耐磨带堆焊焊丝的优缺点，提出以硼化物代替碳化物，并系统的研究了硼 元素对堆焊层性能的影响，试验证明，h 2 既具有良好的耐磨性又具有高的抗 裂性，完全适用于裸眼井工况。 在2 0 0 9 年3 月，所研制的h l 在陕西榆林油田首次试用，与国外某著名耐 磨带堆焊材料相比，h 1 在耐磨粒磨损的同时，能够显著降低对套管的损害，在 使用过程中未出现脱落和掉块现象。 关键词：钻杆接头；耐磨带；药芯焊丝；堆焊 - u a b s t r a c t a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fp e t r o l e u mw e l ld r i l l i n g ，i tt a k e s l o n g e rt i m et od r i l l w e l la n dt h et a s ki n t e n s i t yb e c a m eh i g h e r o nt h er i g o r o u s c i r c u m s t a n c e ，t h e s ec a s i n gp e r h a p sw e a l a w a ya n dd r i l lp i p e sw e r ed e s t r o y e d e s p e c i a l l yw h e nu s i n gt h ec a s i n g ，h a r d b a n d i n gw a sr e q u i r e dt ob eg o o da tw e a l r e s i s t a n c ea n dr e d u c et h ed a m a g ef o rc a s i n g t h ew e a ra n dt e a rp r o b l e mb e c o m e s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t b a s e do nt h eh a r d b a n d i n g sw e a rm e c h a n i s ma n a l y s e s ，t h ep a p e r sd e v e l o pt o w k i n do fh a r d f a c i n gf l u xc o r e dw i r e ( f c w ) f o rh a r d b a n d i n gu s e df o rc a s i n gd r i l l i n g a n do p e nh o l er e s p e c t i v e l y s y s t e m i cr e s e a r c ho nd e v e l o p i n gh a r d f a c i n gf l u x c o r d w i r e ( f e w ) u s e do nh a r d b a n d i n gw a sd o n e t h r o u g has e r i e so fc o m p o n e n t s a d j u s t i n g ，w ed e v e l o pt w ok i n do ff c w , h 1a n dh 2 t h ew e l d i n gp r o c e s s i n g p r o p e r t ya n dt h eh a r d f a c i n gl a y e r sc a p a b i l i t yo ft h et w ok i n d so ff c w t a l k e di n f r o n ta r ea l lr i g h t ，a n di tc a ns a t i s f yt h er e q u e s to fh a r d b a n d i n g sc a p a b i l i t ya n dt h e c o n d i t i o n so ft h eh a r d b a n d i n g i m p a i r i n ga n dm a n u f a c t u r i n g f o rt h e h 1 ，t h e m i c r o s t r u c t u r eo fh a r d f a c i n gl a y e ri s m a i n l yl o wc a r b o nm a r t e u s i t e a n dp a r t l y d i s c o n t i n u o u sn e t l i k ea u s t e n i t ew i t h o mc a r b i d e t h eh a r d n e s so fh a r d f a c i n gl a y e ri s u p w a r d sh r c 6 0 t h eh a r d f a c i n gl a y e rp u t su pw e l la n t i g r a i n - a b r a s i o nc a p a b i l i t yo n m l s 一2 2 5t y p es l u r r yr u b b e rw h e e lg r a i n a b r a s i o nm a c h i n e f o rt h eh a r d b a n d i n g2 ， b a s e do nt h ea d v a n t a g ea n ds h o r t c o m i n go fh a r d b a n d m gm a t e r i a la tp r e s e n t ，t h e p a p e r sp r e s e n tt h a tt h eh a r dp h a s eo fc a r b i d ei sr e p l a c e dt h eb o r i d e t h r o u g ha s e r i e s o ft e s t s ，w er e s e a c ht h ee f f e c to fb o r o no nt h eh a r d f a c i n g sp r o p e r t y t h er e s u l t s s h o wt h a th 2h a sh i g ha n t i w e a ra n dt o u g h n e s su n d e rt e s t i n gc i r c u m s t a n c e t h eh1w e r ef i r s tu s e di ny ul i no i lf i e l di ns a n x ip r o v i n c e si nm a r c h ，2 0 0 9 c o m p a r e d 、i t l lo v e r s e ap r o d u c e s ，t h eh a r d b a n d i n g lc a ne f f e c t i v e l yr e s i s ta b r a s i o n a n dr e d u c et h ed a m a g eo fc a s i n g k e y w o r d s ：t o o lj o i n t ；h a r d b a n d i n g ；f l u xc o r e dw i f e ；h a r d f a c i n g i i i 北京工业大学t 学硕士论文 i v 目录 目录 j l 萄要 i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景一1 1 2 耐磨带堆焊材料的历史及发展3 1 3 国内外耐磨带堆焊材料使用情况5 1 4 堆焊技术在我国的发展6 1 4 1 堆焊方法及其特点7 1 4 2 堆焊合金类型一7 1 4 3 堆焊合金的选择原则一7 1 5 研究目标及研究任务8 第2 章材料及试验方法。9 2 1 药芯焊丝的制备9 2 1 1 制备方法与设备一9 2 1 2 加粉系数的测定1 0 2 2 药芯焊丝焊接工艺性能测试方法与设备1o 2 3 堆焊层组织与性能测试1 0 2 3 1 堆焊层的组织测试1 0 2 3 2 堆焊层硬度测试1o 2 3 3 堆焊层耐磨粒磨损性能测试1 1 2 3 4 环块磨损试验1 2 2 3 5 其它分析测试方法与设备1 2 2 4 本章小结1 2 第3 章钻杆接头耐磨带堆焊工艺13 第4 章钻杆耐磨带自保护堆焊药芯焊丝的研制1 5 4 1 合金系的选择15 4 1 1 合金系中元素作用1 6 北京t 业大学工学硕士论文 4 2 金属芯配方中主要组分的选定1 7 4 3 试验材料及方法2 1 4 3 1 试验材料2 1 4 3 2 试验方法2 1 4 4 试验结果及讨论2 2 4 4 1 堆焊层组织2 2 4 4 2 堆焊层的硬度2 3 4 - 4 3 磨粒磨损结果与讨论2 4 4 5 本章小结2 4 第5 章b 元素对铁基堆焊层硼化物的影响。2 5 5 1 试验材料及方法2 5 5 2 结果与讨论2 6 5 2 1 化学成分与微观结构2 6 5 2 2 显微硬度3 3 5 3 本章小结3 3 第6 章用于裸眼并钻探的耐磨带堆焊药芯焊丝3 5 6 1 试验材料3 5 6 2 试验方法3 5 6 3 试验结果及讨论3 6 6 3 1 堆焊层组织3 6 6 3 2 堆焊层的硬度3 8 6 - 3 3 磨粒磨损结果与讨论3 9 6 4 本章小结4 0 2 吉 论4l 参考文献。 攻读硕士学位期间发表的学术论文4 7 致 谢4 9 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 石油钻杆接头是石油钻探过程中的关键性部件，由于长期工作在高压、强磨 损的环境中，要求它有较高的耐磨损性能和耐腐蚀性能。为了提高钻杆接头的耐 磨性，目前应用比较广泛的是在接头部位堆焊一层耐磨堆焊合金，即耐磨带。钻 杆接头耐磨带以其一定的耐磨性和减磨性，保护钻杆接头和套管免遭强烈的磨 损，在深井钻井、大位移井钻井和大斜度井钻井工程中获得了推广应用，而且接 头耐磨带技术已经成为国际重大石油工程项目招标中，投标方中标的必备技术条 件之一【。 随着钻井技术的不断进步，深井、超深井、丛式井、大斜度井、水平井大量 出现，钻井工作强度加大，对钻杆耐磨带的性能提出了更高的要求。深井、超深 井在使用技术套管之后还需要继续钻进，老井改造中，也需在有套管的井眼中开 窗侧钻，这些情况均属于小井眼钻井，钻柱转速低，摩擦阻力大，且钻井时间长， 使钻杆与套管的磨损都十分严重。从机理上讲，钻杆接头耐磨带的作用是利用自 身及其耐磨性，将钻杆外壁和套管内壁隔离，使钻杆不与套管壁或井壁直接接触， 以保护钻杆接头和套管免遭强烈的磨损。 然而，实际情况并不简单，耐磨带的出现，将钻杆接头与套管内壁接触摩擦， 转换为耐磨带与套管内壁的接触摩擦。钻杆接头受力见图1 1 、钻杆接头与套管 接触磨损处的横截面示意图见图1 2 、图中虚线部分为钻杆接头，剖面线部分为 套管，图中a b c d 部分面积为套管被磨损掉的部分，a c d 部分为被磨损后的接触 部分，在侧向力f 的作用下，钻杆接头与套管在a c d 接触面上产生接触压力，在 钻杆旋转时以及该接触压力的作用下，将在a c d 接触面上产生磨损。如此往复， 将使套管内壁在该处逐渐变薄，最终导致套管被磨穿陟7 。 上世纪3 0 年代，有人采用钨钻系列硬质合金耐磨带，如碳化钨等。碳化钨耐 磨带在裸眼中能较好地保护钻杆，但堆层组织中高硬度的碳化钨颗粒对套管产生 较大的磨损。套管磨损后，套管的壁厚大大减薄，抗挤毁能力和抗腐蚀能力大大 降低，而套管又无法更换，往往导致大量的钻井事故和油气井的早期报废，造成 巨大的经济损失 8 - - 9 1 。塔里木油田勘探开发以来出现了许多井套管磨穿情况。1 9 9 6 年的k c l 井、阳霞1 井；1 9 9 7 年的牙肯3 井和牙肯4 井；2 0 0 0 年k l 2 0 2 井；2 0 0 1 年的却勒一1 井、d n l 井、秋参一1 井、k s l 0 1 井和d n l l 井均出现套管磨穿情况。 由于塔里木探区单井投入大，套管磨穿轻则意味损失钻井时间，重则导致整井报 废。1 9 9 6 年的阳霞1 并就是由于套管磨穿导致整井报废，损失将近4 0 0 0 万元 北京工业大学工学硕士论文 槽 拉力 图1 1 钻杆接头受力图 f i g 1 1t h ef r e eb o d yd i a g r a mo f t o o lj o i n t s 图1 2 钻杆接头与套管磨损截面示意图 f i g 1 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ew e a l c r o s s - s e c t i o n 针对出现的这些问题，文献【 1 5 】通过不断的探索和大量的科学试验，研制出 了一系列的新的耐磨堆焊材料，这些材料用作耐磨带后可获得高的表面硬度，同 时使之与套管形成的摩擦副的摩擦系数大大降低，因此可同时实现钻杆接头的高 耐磨性和套管的低磨损性。其中最具代表性的美国a r n c o 公司的 a r n c 0 2 0 0 x t 、1 0 0 x t 耐磨材料以及中国石油天然气集团公司研制的 g e n d a l e n - 2 0 0 耐磨材料和新型钻杆接头耐磨带堆焊材料p t l 0 0 。2 0 0 x t 、p t l 0 0 及 g e n d a l e n - 2 0 0 都主要是高铬合金，其耐磨性比早期的碳化钨合金稍差些，但对套 管的减磨作用有了很大的提高。而本课题放弃目前广泛使用的f e c r - c 堆焊合金 系，选用f e - n b b c 合金系，打破常规以碳化物为硬质相的思路，以硼化物为硬 质相，同时通过对元素配比的系统调整，研制了一种耐磨性和减磨性具佳的耐磨 带堆焊材料。 第l 章绪论 1 2 耐磨带堆焊材料的历史及发展 磨损是石油钻杆接头最常见的一种失效方式，由于石油钻杆接头的工作表面 与岩石、泥砂强烈摩擦，发生严重的磨损，当磨损量超过一定指标时，会造成钻 杆接头报废。钻杆接头磨损主要形式是磨粒磨损和粘着磨损【l 引。磨粒磨损是 在工件与周围接触面之间存在硬质点时所产生的一种磨损。这种硬质点有些是石 油钻杆接头表面材料的氧化皮脱落而成，有些是表面金属脱落而成。粘着磨损主 要发生在钻杆接头与套管接触部位，特别是堆焊了耐磨材料的钻杆接头，它就像 一个高硬度的磨料，对套管具有严重的磨损破坏作用。实际井壁总是弯曲的，井 壁弯曲程度用狗腿严重度表示，套管在井壁弯曲处要随之弯曲、狗腿度越大，套 管弯曲得越严重，钻杆在通过这些弯曲套管的地方，钻杆一侧与套管壁接触，并 产生正压力，当钻杆拉力一定时，钻杆与套管壁之间的正压力随狗腿度增大而增 大，从而加速了钻杆与套管之间的磨损。狗腿度对套管磨损有严重影响，不单是 由于狗腿度增大了钻杆与套管壁之间的正压力，而且表现为在狗腿度严重处钻 杆、钢丝绳、电缆等始终与套管的同一局部接触，这样它们对套管的磨损始终在 同一局部，形成局部磨损，这大大地加速了套管的磨损，从而使套管的使用性能， 特别是抗挤毁和抗内压爆破性能迅速降低【2 引。 钻杆接头耐磨带实质上是一个沿接头圆周方向，具有一定宽度和一定厚度 的隔离带。通过这个隔离带，使钻杆接头外壁和套管壁或井壁隔离，避免钻杆 接头与套管壁或井壁直接接触，以保护钻杆接头和套管免遭强烈磨损。耐磨带 的工况条件比较复杂，性能要求比较苛刻，应当具有良好的综合抗磨性能。 2 0 世纪3 0 年代，第一代耐磨带产品被用于钻井作业中。当时由于人们对 摩擦学的认识较少，而且井的深度和斜度都较小，因此第一代耐磨带产品主要 用碳化钨硬质相作为耐磨骨架对钻杆接头进行保护。随着钻进技术的发展，原 来的直井变为了斜井，浅井变为了深井甚至超深井( 井深大于6 0 0 0 米) ，这时 为了防止较深井的坍塌，不得不下入套管，然而套管的使用使钻杆的磨损形式 变得更加复杂，原来那种钻杆与磨料的单一磨损变成了钻杆与磨料、钻杆与套 管的双重磨损瞄h z l 。 文献 2 3 - - - 2 5 指出：钻杆对套管的磨损作用包括钻杆接头和钻杆本体两部 分，其中对套管磨损最大的是钻杆接头，b r a d l e y 和f o n t e n o t 2 6 早在1 9 7 5 年便 考察了钻杆等部件的主要运动形式及其对套管磨损的影响。认为套管磨损主要 产生于钻具工具接头对套管壁的相对转动过程中，而钻杆的下钻过程引起的往 复磨损相对要小的多；他们的研究还表明，在狗腿度严重之处，钻杆与套管之 间接触力较大，易引起大的磨损，较大狗腿度是导致套管磨损加剧的重要原因。 套管的磨损速度主要取决于接触力的大小。图1 3 显示了接触力分别为1 5 k n 和 1 0 k n 时套管磨损程度的显著差别。图1 3 中横坐标表示钻井过程中钻杆通过( 经 北京t 业大学工学硕士论文 过) 套管某一部位的根数，纵坐标表示套管径向磨损深度。结果发现在井深分别 为1 7 8 2 m 和7 1 0 m 的套管钻杆通过根数为1 8 7 根情况下，1 5 k n 接触力时套管径 向磨损深度为2 4 m m ，1 0 k n 接触力时磨损深度为0 7 m m 。说明接触力越大，对 套管的磨损程度越显著。这很可能是由于在接触力很大的面上缺少润滑膜而引 起的，当接触力足够大时，就可使钻杆接头与套管之间的润滑膜破裂，导致钻 杆接头与套管内壁直接接触，从而加速了套管的磨损 2 7 1 。 3 暑 毒2 酝 辑 龆 扭1 榔 o i r 载荷l on | f 0 一载荷1 5 州 。一一 05 01 0 01 5 0 1 8 7 2 0 0 钻杆根数 图1 3 钻杆接头与套管之间接触力对套管磨损的影响 f i g 1 - 3i n v e s t i g a t i o no ft h ec o n t a c tf o r c eb e t w e e nt o o lj o i n t sa n dc a s i n go nc a s i n gw e a l 钻杆接头上沉积碳化钨硬质合金，由于粗糙的表面，对套管磨损影响非常显 著。在实验室中，对沉积碳化钨硬合金的钻杆接头和表面是相对较软材料的钻杆 接头进行全尺寸的实物试验研究，结果表明：钻杆接头对套管的磨损机理是粘着 磨损、研磨磨损和在套管内表面划伤形成犁沟。敷焊硬质合金的钻杆接头对套管 磨损主要表现是后面的两种形式，而具有相对软材料表面的钻杆接头对套管磨损 的实验中，粘着磨损是主要的，且受泥浆成分性能影响较大，其对套管磨损速率 要比粗糙的硬质表面钻杆接头小得多。j m s c h o n e 姗a k e s 【2 8 1 对一例现场被完全磨 穿的2 4 4 5 m m 套管研究发现，其原因是由于现场使用再次硬化的钻杆接头引起 的。大量实验证明，带有碳化钨敷焊硬质合金的钻杆接头可能对套管非常有害， 特别是当焊接质量很差时。研究还发现，磨钝的敷焊硬合金钻杆接头引起的磨损 很少。另外，需要特别指出的是，使用两种大小不同的钻柱会导致多达两倍的运 转磨损。 为了解决这一问题，研究者对已有的耐磨带材料进行了大量的改进。 g r a n t p r o d e c 公司对其碳化钨系列产品进行了改进。具体方法是在接头处首先堆 第l 章绪论 焊一层韧性好的材料，然后堆焊细化了的碳化钨粉末，与前面的耐磨带产品相 比，虽有了一些改进，但在对套管的磨损问题上仍没有达到令人满意的效果眇j 。 1 9 8 9 1 9 9 0 ，a m o r p h o u st e e h n o l o g i c s i n c 首次采用新型的碳化物碳化铬 作为硬质相来开发耐磨带，与碳化钨系列相比，其抗磨粒磨损能力较差些，但 还是可以满足抗磨需要。但仍存在对套管的磨损( 虽然与碳化钨系列相比有了 很大的提高) 。在这段时间内，摩擦学得到了飞速的发展，人们对摩擦、磨损的 认识从古典理论上升到新的高度，这对耐磨带的开发起到推波助澜的作用。三 代耐磨带产品，以无铬铁基n b 、b 、m n 、s i 、m o 、n i 为主要添加元素，利用 n b c 这种低摩擦系数的碳化物对硬质相接头进行保护。由于n b c 的低摩擦系 数，使得三代耐磨带材料对套管起到了较满意的减磨性能。 2 0 0 5 年，四代耐磨带材料上市，其开发思路仍沿用三代那种抗磨同时减磨 的思路，所不同的是四代产品采用了非晶材料保护钻杆接头。非晶材料的使用 不仅能达到与碳化钨相近的耐磨效果，同时还起到了理想的减磨效果p 。 1 3 国内外耐磨带堆焊材料使用情况 自从耐磨带技术问世以来，随着现场应用中出现问题的逐步克服，新型耐磨 带专用堆焊材料不断被推出，耐磨带的材料品种已经发生了质的变化。应当看到， 是堆焊材料的创新推动了耐磨带技术的进步与发展，而耐磨带技术的进步，则促 进了钻井工程及其应用的稳步发展。 e f d 系列耐磨焊丝 随着钻井技术的进步，对钻具接头耐磨性的要求越来越高，必须使用高性能 的耐磨材料，才能适应不同类型钻井的需要。国外进口焊丝性能好，但价格昂贵。 国内某公司在a r n c 0 2 0 0 x t 药芯焊丝基础上加以改进，研制了价格低廉的3 种牌 号药芯焊丝。3 种焊丝的研发目标是改进a r n c o 2 0 0 x t 药芯焊丝，克服了该焊丝 存在的缺点，产品的耐磨性优于2 0 0 x t 。但是迄今为止，尚无文献显示e f d 系列 产品与a r n c o1 0 0 x t 的详尽比较情况。尽管如此，该公司认为所开发的e f d 系 列药芯焊丝，填补了国内耐磨带焊接材料的空白，达到了国际先进水平【3 h 4 。 p t l0 0 耐磨焊丝 为了尽快摆脱“进口焊丝价格昂贵，国内油田难以承受”的困难局面，也为 了提高中国钻井公司在国际招标运作中的竞争力，国内相继有单位开展高性能耐 磨带焊接材料与进口焊材国产化的攻关工作，并且取得了可喜的进展。新型钻杆 接头耐磨带堆焊材料p t l 0 0 就是其中一例。p t l 0 0 是一种采用高铬合金系统、直 径为1 6i n m 的气保护药芯焊丝。该焊丝具有价格便宜，工艺简便，焊前工件不需 预热，焊后工件不必保温，可以重复堆焊等优点。对比试验表明，p t l 0 0 耐磨带 的磨损率低于f e 5 0 铁基合金粉耐磨带，它的耐磨性能与进口材料相当。 北京工业大学工学硕士论文 a r n c o 2 0 0x t 药芯焊丝 上世纪9 0 年代，国外a r n c o 公司提出一种所谓平衡磨损思路，它所坚持的 理念是，尽量减小套管的被动磨损，同时允许钻杆接头适度磨损。在该理念指导 下新升发了堆焊材料a r n c 0 2 0 0 x t 药芯焊丝。该焊丝采用f e c r - c 合金系，是该 公司第一代钻杆接头耐磨带专用药芯焊丝，其耐磨带堆层硬度大于h r c 5 0 ，耐磨 性较好，磨损率较小。现场应用表明，在减小钻杆磨损的前提下，能有效地降低 套管的磨损。该焊丝的不足之处是堆焊层宏观热裂纹数量较多，堆焊层的减磨性 尚须改进。 a r n c o 一1 0 0 x t 药芯焊丝 2 0 0 0 年6 月，a r n c o 公司推出了a r n c o 1 0 0 x t 药芯焊丝。该焊丝采用 f e c r - m n - m o 合金系，是a r n c o2 0 0 x t 的换代产品，焊前工件预热温度范围6 6 316 ，其堆焊层组织主要是低碳马氏体，其耐磨带堆焊层硬度大于h r c 5 0 。 创王n c o 3 0 0 x t 药芯焊丝 2 0 0 3 年a r n c o 公司研制成功a r n c o 3 0 0 x t 药芯焊丝。这是该公司推出的 第三代耐磨材料。该焊丝采用以b 代c 和多元素综合强化合金化技术，其耐磨带 堆层硬度大于6 0 h r c ，耐磨性提高，减磨性适中。堆焊层热裂纹倾向已大大减小。 据悉这是该公司目前最新技术集中体现，在高研磨岩性地区，该焊丝已呈现出预 期的优越特性。 1 4 堆焊技术在我国的发展 堆焊技术在我国起源于2 0 世纪5 0 年代末，几乎与焊接技术同步发展。发展初 期主要用于修复领域，即恢复零件的形状尺寸，6 0 年代已经将恢复形状尺寸与强 化表面及表面改性相结合，改革开放后堆焊技术的应用领域进一步扩大，堆焊技 术从修理业扩展到制造业，9 0 年代受先进制造技术理念的影响，堆焊方法与智能 控制技术和精密磨削技术相结合的近净形技术( n e a rn e ts h a p e ) i j l 起了制造业的 广泛关注，这也是堆焊技术从技艺走向科学的重要标志【3 5 1 。堆焊技术在我国历经 近5 0 年的发展历程，不仅是延长材料或零件服役寿命的工艺方法，而且已经成为 了先进制造技术的发展基础。 我国堆焊专家围绕提高堆焊质量和效率开展了大量工作。堆焊方法方面，相 继开发了电弧堆焊( 单丝、多丝、单带极、多带极) 、电渣堆焊( 窄带极、宽带极、 躺极) 、m i g 堆焊、等离子弧粉末堆焊、高能光束( 激光、聚焦光束) 粉末堆焊等， 就熔敷效率而言，已从单丝电弧堆焊的1 l k g d 、发展到多带极电弧堆焊的7 0 k g h ， 而稀释率从电弧堆焊的3 0 - - 一6 0 降低到等离子弧、激光、聚焦光束堆焊的5 左 右。堆焊技术在我国近5 0 年的发展历程中，为基础工业的崛起和发展作出了重要 贡献，其应用遍及机械、能源、交通、电力和冶金工业等领域。 第1 章绪论 堆焊技术在我国历经5 0 多年的发展历程，其应用遍及基础工业诸领域。我国 在堆焊基础理论的研究方面与国外工业发达国家相比并不逊色，但堆焊材料的开 发、堆焊设备的自动化和智能化水平、精密高效堆焊技术的开发应用、计算机技 术及模拟仿真技术在堆焊技术中的应用水平等方面与国外存在一定差距，研究开 发优质、高效、低耗、灵活、清洁的先进堆焊技术，并将其广泛应用于先进制造 业当是我国堆焊研究人员的重要任务。 1 4 1 堆焊方法及其特点 堆焊的方法有氧一乙炔焰堆焊、手工电弧堆焊、埋弧自动堆焊、二氧化碳气 体保护堆焊、电渣堆焊、等离子弧堆焊等。本文所涉及堆焊试验主要是应用手工 或者半自动二氧化碳气体保护焊。 其基本原理与一般焊接方法相同，但也有其自身特点。一是必须控制稀释率， 二是要合理地选择堆焊层的合金系统，三是要综合考虑堆焊的方法。为减少母材 对堆焊层组织和性能的影响，本文所涉及堆焊试样要求堆焊三层以上。 1 4 2 堆焊合金类型 堆焊合金可归纳为铁基、镍基、钴基、铜基和碳化钨材料等几种类型【3 引。 铁基堆焊合金性能范围广，韧性与耐磨性配合好，能满足许多不同的要求，而 且价格较低，品种也最多，所以应用最为广泛。镍基、钴基堆焊合金价格较高， 由于高温性能好、耐腐蚀，主要用于要求耐高温磨损、耐高温腐蚀等场合。铜 基材料的耐蚀性好，有时也用于堆焊材料。碳化钨堆焊合金的耐磨粒磨损性能 最好，虽然价格较高，但在耐严重磨料磨损部位堆焊和工具堆焊中占重要地位。 1 4 3 堆焊合金的选择原则 ( 1 ) 满足零件堆焊的使用条件 零件堆焊的使用条件，包括受力特点、工作介质、润滑状况、运行状况等 是选择堆焊合金的最主要依据。由于零件的工作环境通常比较复杂，所以实际 讨论时应该通过零件的失效分析来确定其磨损类型和主要的影响因素，并以此 来选择堆焊合金类型。例如挖掘机斗齿属于凿削式磨粒磨损，斗齿工作表面承 受石块、砂土的撞击，其冲击载荷较大，因此可选用高锰钢堆焊合金；而推土 机铲刃虽然也与泥土接触，但冲击载荷较小，它的磨损类型为低应力擦伤式磨 料磨损，因此应选择合金铸铁或碳化钨等堆焊合金，而不能选择高锰钢堆焊合 金。这是因为后一种工况不具备撞击而使高锰钢表面层加工硬化的条件，在这 种条件下高锰钢的耐磨性很差。本课题所涉及的钻杆接头耐磨带具的磨损情况 与上述两例不同，既具有高应力的磨粒磨损，又具有一定的粘着磨损。若采用 高锰钢堆焊合金，因为冲击力太小，堆焊层冲击强化效果不足而迅速磨耗失效； 若采用合金铸铁或碳化钨堆焊合金，则又会造成对套管的损害。因此，设计了 北京工业大学工学硕十论文 一种具有较高硬度且具有低摩擦系数的堆焊合金，在实验和工程应用中表现出 了良好的使用性能。 ( 2 ) 从经济角度选择堆焊合金 当有儿种堆焊合金都能满足使用要求时，应该综合比较它们的经济性。经 济的合理性不仅要综合考虑堆焊的成本，而且还要考虑零件投入使用后产生的 经济效果以及其使用寿命等。 ( 3 ) 从堆焊合金的工艺性能来选择 在满足使用条件和经济指标的前提下，应该尽量选择焊接性较好、堆焊工艺 简单的堆焊材料。 1 5 研究目标及研究任务 本课题主要针对钻杆耐磨带这种特殊的磨损工况，开发研制了两种不同类 型，能够满足钻杆接头磨损工况要求的堆焊药芯焊丝，并对堆焊层的组织及性 能进行研究，具体研究目标及内容如下： 1 针对降低套管损伤要求，研制和开发了一种低摩擦系数耐磨堆焊药芯焊 丝，并对其组织和性能进行了研究。 2 系统的研究了b 元素对铁基生成硼化物的影响。 3 研制和开发了f e b - n b c 系耐磨堆焊药芯焊丝，并对其堆焊层组织、硬 度和耐磨料磨损性能进行了研究。 第2 章材料及试验方法 第2 章材料及试验方法 2 1 药芯焊丝的制备 2 1 1 制备方法与设备 研制堆焊药芯焊丝的设备采用本校f c w m 5 0 多功能粉芯线材成型机，具体 的制作过程如下： 1 合金粉及矿物粉的配制：将粉料按配方设计的比例混合，烘干后置于混 粉机中混合均匀，然后倒入送粉器中。 2 药芯焊丝轧制成型：选定的钢带经过几道轧辊的轧制后成槽形，合金粉 由送粉器均匀送入金属槽内，再经过若干道轧辊的轧制后钢带搭接闭合成圆形。 轧制过程见图2 一l 。 3 拉拔减径：轧制成型的丝材，在拔丝机上使其分别通过直径为：2 8 m m 、 2 6 r a m 、2 4 m m 、2 2 r a m 、2 0 r a m 、1 s m m 、1 7 r a m 、1 6 m m 的拉丝模，逐道拉 拔、减径，最后直径达到1 6 m m 。 图2 1 焊丝的制作过程 f i g 2 1p r o d u c i n gp r o c e s so ff l u x - c o r e dw i r e s 4 药芯焊丝制备过程中的参数：本文所涉及的药芯焊丝研制均选用宽度为 1 0 m m ，厚度为o 3 m m 的h 0 8 a 冷轧钢带。焊丝在制备过程中采用的参数见表2 1 。 北京工业大学工学硕士论文 表2 1 焊丝制备过程中的参数 t a b l e2 1p a r a m e t e r si nf l u x c o r e dw i r ep r o d u c i n g 2 1 2 加粉系数的测定 药芯焊丝的加粉系数是指粉芯与整个焊丝的质量比。测试方法为：首先用 天平称出一段焊丝的质量，然后把该段焊丝内部的合金粉去掉，再称出外皮的 质量，最后根据公式2 1 ： p = 如。一所1 ) m o ( 2 1 ) 式中p 为加粉系数；m 0 为焊丝的质量；m l 为药芯焊丝钢皮的质量；即可计 算出焊丝的加粉系数。本课题所研制药芯焊丝的加粉系数在2 3 - - , 2 5 。 2 2 药芯焊丝焊接工艺性能测试方法与设备 药芯焊丝焊接工艺性能测试主要是通过对研制的堆焊药芯焊丝的配方调整 及焊接电流、电压等参数的选择，就飞溅、焊缝成形、裂纹、熔渣覆盖及脱渣 等内容进行研究测试。焊接设备选用k e p n 公司生产的p s s 5 0 0 0 型多功能焊机， 焊接方法为手工电弧或者半自动二氧化碳气体保护焊。 2 3 堆焊层组织与性能测试 2 3 1 堆焊层的组织测试 堆焊层的组织测试首先采用金相切割机、金相镶样机、预磨机、抛光机等 设备进行金相试样的制备，然后利用4 x 1 、o l s 3 0 0 0 及m p e g 3 等型号显微镜 进行组织观察与图像采集。 2 3 2 堆焊层硬度测试 利用h r - 1 5 0 多功能数字硬度计对堆焊层进行洛氏硬度测试，根据 g b 8 6 4 0 8 8 规定，每个试样测定五个点，取平均值，实验采用金刚石压头，载 荷为1 5 0 k g ，加载时间为5 s ，恢复时间为3 s 。其中测定点之间的距离或任一测 定点距试样边缘的距离不小于3 m m 。采用m ( d 一1 0 0 0 数字式显微硬度计进行 第2 章材料及试验方法 显微镜度测试，每个试样测试五个点，取平均值，实验载荷为1 0 0 9 或2 0 0 9 ， 加载时间为1 5 s ，试样测试前进行研磨和抛光。 2 3 3 堆焊层耐磨粒磨损性能测试 采用m l s 2 2 5 型湿式橡胶轮磨粒磨损试验机( 如图2 2 ) 对堆焊层进行磨 粒磨损试验，试样基体为q 2 3 5 钢，尺寸5 7 m m 2 5 5 m m 5 m m ，堆焊层厚度 5 m m 。橡胶轮转速2 4 0 r p m ，橡胶轮直径1 7 6 m m ，橡胶轮硬度6 0 ( 邵尔硬度) ， 实验时加入1 0 0 0 克水，磨料选择为4 0 一- - 7 0 日石英砂1 5 0 0 克，载荷为4 0 n 、7 0 n 和1 0 0 n 。 ( 1 ) 预磨：预磨是为了获得一个预磨痕迹，避免试样表面粗糙度对磨粒磨损 结果的影响。每次实验前先将试样在丙酮溶液中浸洗，将试验腔体彻底清洗， 然后将试样紧固在试验槽内，向磨粒磨损机试验腔体中倒入1 0 0 0 克水和1 5 0 0 克石英砂( 4 0 7 0 目) ，密封，然后施加选取的载荷，预磨1 0 0 0 转后停机。 ( 2 ) 正式磨：将预磨损后的试样在丙酮溶液中浸洗，用吹风机吹干，在万分 之一精度的天平上称量，测得试样重量。然后将试样置于试验槽内，使磨损面 与预磨痕迹重合，其他操作步骤与预磨相同。正式磨损2 0 0 0 转后停机，取出试 样并放入盛有丙酮溶液的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗3 5 分钟，干燥后用 万分之一天平秤量重量，作为“磨后重量”。材料的耐磨性能用磨损的失重量 来衡量。算出正式磨损前后试件的重量差，即为失重量。每种堆焊层测三个试 样，取平均值来衡量配方的耐磨性。实验同时用q 2 3 5 钢基体材料作为对比， 对比件失重量与测量件失重量之比作为该配方的相对耐磨性。 图2 - 2m l s 2 2 5 磨粒磨损机示意图 f i g 2 2s h e t c hm a po fm l s 一2 5g r a i n a b r a s i o nm a c h i n e 北京工业大学工学硕十论文 2 3 4 环块磨损试验 采用m r h 3 型高速环块磨损试验机研究涂层的干摩擦磨损行为，磨环的 材料选g c r l 5 ( 硬度为h r c 6 1 的标准试环) 。试验按照国家标准g b l 2 4 4 4 2 9 0 进行。涂层的干摩擦磨损测试在苛刻的磨损条件下( 载荷4 肛7 5n ，滑动速度 0 5 m s ，无润滑) 进行。试验过程中连续测定摩擦系数、涂层的磨损失重。同 一条件下摩擦副的摩擦系数和磨损失重量为至少二次试验的平均值。 2 3 5 其它分析测试方法与设备 采用北京塞多利斯仪器公司生产的b s 2 2 0 2 s 电子天平对试样进行质量测 量，精确到0 0 0 0 1 9 。本校分析测试中心的分析测试平台：利用d m a x 3 c 全 自动x 射线衍射仪分析堆焊层的物相；采用f e i 公司生产的q u a n t a 一2 0 0 电 子显微镜( s e m ) 及能谱分析仪( e d a x ) 分析堆焊层磨粒磨损后的形貌。 2 4 本章小结 本章就实验中涉及的堆焊药芯焊丝的制作、药芯焊丝加粉系数测试以及药 芯焊丝的焊接工艺性能测试进行了说明，利用自制落锤冲击架以及m l d 一1 0 型 动载磨粒磨损机对堆焊层进行冲击试验，利用m l s 2 2 5 型湿式橡胶轮磨粒磨损 试验机进行磨粒磨损试验，并就堆焊层组织和性能测试的实验方法和设备做了 介绍。 第3 章钻杆接头耐磨带堆焊工艺 第3 章钻杆接头耐磨带堆焊工艺 耐磨带是为了保护钻具和套管在钻井过程中不至于过度磨损，采用堆焊方式 将耐磨材料沿钻杆接头圆周方向堆焊( 或熔敷) 宽约3 0 5 0 m m 、厚2 - - 一3 m m 的环形 带。耐磨带在深井钻井、大位移井钻井和大斜度井钻井工程中获得了推广应用， 钻杆接头耐磨带在我国钻井工程中使用已有数十年历史，在堆焊耐磨带方面技术 比较成熟。本文参考a r n c o 的1 0 0 x t 及3 0 0 x t 施焊工艺，总结了一些耐磨带堆 焊要求： ( 1 ) 耐磨带宽度 钻杆接头部位要比钻杆本体粗2 0 - - - 3 0 ，而且在工作过程中要承受大的扭 矩，为了增强接头承载能力建议耐磨带宽度为5 0 7 6 m m 。 ( 2 ) 焊缝宽度 通过对目前实际应用情况的了解和产品的测试分析，建议焊缝宽度应为 3 0 m m 左右。这一焊缝宽度可保证堆焊层表面光滑，整齐。同时可配合摆动宽 度和堆焊层层数来对焊缝宽度经行调节，以达到最佳效果。一般在焊接时加垂 直于焊缝的横向摆动，摆动速度5 0 9 0 次分，摆动距离1 9 n 2 5 m m